鱼菜共生系统的构建与运行稳定性探究

组长：朱泓桔

组员：黄雅祺王栖露杨梦汐高紫瑞

指导教师：孙智文

学校：徐州市第一中学

日期：2025年11月

鱼菜共生系统的构建与运行稳定性探究

徐州一中 朱泓桔 黄雅祺 高紫瑞 王栖露 杨梦汐

指导老师：孙智文

一、研究背景

“鱼菜共生”技术是一种对于传统农业模式进行改革创新的现代生态养殖技术，科学地融合了水产养殖和水培作物养殖两种本无关联的农业类型，利用而这生物不同但又可共同持续协调生长的特性实现绿色循环发展。

而随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，食品安全问题得到广泛关注。传统农业养殖方式存在资源浪费和环境污染等问题，但随着鱼菜共生系统的经济可行性逐步得到关注，这些问题也在一步步被慢慢解决。

鱼菜共生系统的形成了一种互利共生的循环声讨系统，通过植物生长过程中对养殖水体中氮磷等营养必需元素的吸收利用，将养殖水体进行除氮脱磷，既能有效净化水质，又能满足植物生长所需的各类养分需求。在发展中不断适应人们生活所需，增强食品安全。

鱼菜共生系统中重要的物质循环：

鱼菜共生系统是通过植物生长过程中对养殖水体中氮、磷等营养必需元素的吸收利用，将养殖水体进行除氮脱磷，从而实现水质的净化。植物根系、浮床、基质等组件都能够对水体中悬浮物起到吸附作用，同时还可以富集水体中的有害物质。发达的根系空间也能够为更多的微生物提供附着点，通过富集的微生物对有机污染物。营养物进一步分解，既能有效净化水质，又能满足植物生长所需的各类养分需求。植物根系也会在生长过程中释放出大量能降解有机物的分泌物从而加速了有机污染物的分解。氮、磷是养殖尾水中最主要的富营养成分也是威胁养殖对象健康的重要水体胁迫因子之一。发达的植物根系能够将氮、磷及吸附积累在植物体内和根系表面的污染物固定，减少融入水体中的污染物，达到修复水生生态系统的作用。鱼菜共生系统对于水体中氮磷的回收利用，也是资源再利用的代表性体现。

1、氮循环

氮是生物体生长过程中的必需元素。在水培单元中，氮输入的主要来源是养殖单元中投喂的未全部摄食的饲料溶解，以及摄食后鱼的排泄物，经转化后产生的氨氮为主。养殖尾水中的氨氮能够为植物生长提供稳定的氮源，这部分含氮尾水进入水培单元后在微生物的硝化和反硝化作用下转化为硝酸盐被利用。目前淡水是进行鱼菜共生系统培育的主要水体，这主要是由于植物根系的生长会受到渗透压影响，高渗透压会抑制植物的生长。淡水鱼的透调节机制与海洋鱼类不同，具有不同的氨排泄途径。在淡水中，鱼类的肝脏对饲料中的蛋白质进行转氨和脱氨过程，最后通过排泄尿液、粪便来释放氨氮。在水体生态系统中，氨氮的来源之一是有机氮的水解。有机氮主要来源于鱼类的尿液和粪便其中，尿素水解是一个持续发生的过程，它在水体循环的各个环节都有所体现，但在生物过滤器的滤膜中尤为突出。

硝化作用是转化氨氮的关键途径之一。在这一过程中，氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)发挥着至关重要的作用。它们将氨氮氧化生成亚硝酸盐(NO2),随后亚硝酸盐氧化细菌(NOB)接力作用，将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐(NO)。然而，在鱼菜共生的水培系统中，氨氧化古菌(AOA)的出现频率相对较低。在水产养殖过程中氨氮和亚硝酸盐浓度需要控制在一定范围内，过高的氨氮和亚硝酸盐浓度对鱼类有毒害作用。

一个有效益的鱼菜共生系统要求该系统有较高的生物产量,即水培植物和渔获物的产量,植物对氮的吸收利用是其中最主要的环节。植物对水体中氮的吸收利用以及气逸散损耗主要受到植物的根系微生物影响，微生物的生长情况。水培环境的微生物群落、水体中的碳氮比、系统的水力负荷率(HLR)都会影响植物对于氮的吸收和利用。除此之外，氮的吸收率还与营养物质浓度、植物种类、光照强度、温度和环境二氧化碳浓度等有关。

2、磷循环

水体中的磷元素在营养物质循环和生命生长过程中扮演着极为关键的角色，其含量更是衡量水体质量的重要标尺。作为鱼类生长所需的主要矿质元素之一，磷元素深度参与鱼类骨骼组织的构建以及细胞反应中能量的生成。若磷元素长期供应不足，鱼类的生长便会受到抑制，骨骼矿化程度降低，饲料转化率也会随之下降。然而，可溶性无机磷在水体生态系统中也是一把双刃剑。它被认为是水体富营养化的关键因子。众多学者的研究表明，在河湖富营养化现象出现时，往往伴随着磷含量的显著升高，包括蓝藻水华在内的多种水华的发生，与水体中溶解磷含量存在着相当重要的联系。在鱼菜共生系统中，植物吸收、根系吸附以及沉降作用协同发力，能够有效去除水体中的磷元素。植物对磷元素的吸收具有一定的选择性，它们只能吸收利用H2PO,和HPO,形式的磷元素，吸收速率受水体pH值影响，水体中pH值大于7.0时，水体中游离态正磷酸盐易与钙离子反应生成磷酸钙不溶物，使植物可吸收的磷元素含量下降。水中磷元素最主要的是溶解有机磷(DOP)。DOP是很多藻类，植物和细菌的首选磷源。在水培环境中DOP转化为IP的过程受水体中的pH、微生物组成、磷源等环境因素的影响。另一部分不可溶解的磷通常存在于水体中的沉积物中，在水生生态系统的磷循环中起到的汇集和沉积作用，沉积物中主要由增磷增溶细菌(PSB)对磷起到释放作用。PSB在磷再生中起重要作用，可以促使可溶性磷从沉积物中释放到水体中。沉积物中的PSB不仅可以促进磷的释放，还可以储备多余的磷。水体中磷元素的循环和转化与水体中的微生物及种植植物的种类有较大关联。

二、实验材料

pH+亚硝酸盐+氨氮试剂组合套装、鱼粪浓缩液、气泵、硝化细菌、气泵石头、鱼缸管三通、300mL烧杯、500ml烧杯、培养杯、细菌屋、3mL滴管、搅拌棒、水（自备）、剪刀（自备）、纸盒（自备）、保鲜膜（自备）、记号笔（自备

三、研究过程

1、粪稀释液的配制

准备足量的自来水将其置于通风处晾晒2-3天，以此去除水中可能存在的氢气等有害物质。用量具准确量取4L处理后的自来水，倒入合适的容器中。缓慢滴入12滴鱼粪浓缩液，同时用搅拌棒充分搅拌均匀，从而模拟出因鱼类生活活动而导致水体中氨氮浓度升高的环境。

2、水体氨氮与亚硝酸盐的检测

完成鱼粪稀释液配制后，立即使用亚硝酸盐+氨氮试剂组合套装对水体中的氨氮与亚硝酸盐含量进行检测。需详细记录各项数据，并对检测场景拍照留存，以便后续分析参考，为了实验效果更加明显，若首次检测得到的氨氮值未达到1.5mg/L,可根据实际情况酌情增加鱼粪浓缩液的添加量。

①氨氮检测操作步骤

a预处理：使用鱼粪稀释液反复冲洗组合套装中的测试杯3-5次，确保测试杯内壁无杂质残留，避免对检测结果产生干扰。

b.水样取样：使用滴管量取5ml待测水样，缓缓注入已预处理好的测试杯中。

c.试剂添加：向测试杯中依次滴加5滴1号试剂，轻轻摇匀后，再滴加5滴2号试剂，使试剂与水样充分混合。

d..静置反应：盖好测试杯盖子，轻轻晃动测试杯，使杯内液体混合均匀，随后将测试杯放置在水平桌面上，静置5分钟，确保化学反应充分进行。

e.比色读数：5分钟后，将测试杯的刻度面紧贴于比色卡的空白处，仔细对比测试杯内液体颜色与比色卡上的标准颜色，从而准确读取所测水样的氨氮含量（单位：mg/L)。

②亚硝酸盐检测操作步骤（详纸参考试剂盒内说明书）

a.预处理：使用待测水样多次冲洗测试杯，保证测试杯的清洁度。

b.水样取样：同样使用滴管量取5mL待测水样，注入处理好的测试杯内。

c.试剂添加：测试杯中滴加5滴亚硝酸盐试剂。

d.静置反应：盖好测试杯盖子，轻轻摇晃测试杯使液体混合均匀，静置5分钟，让化学反应充分完成。

e.比色读数：5分钟时间到后，将测试杯的刻度面紧贴比色卡的空白处，将测试杯内液体颜色与比色卡上的标准颜色进行仔细比对，进而得出所测水样的亚硝酸盐含量（单位：mg/L)。

注意事项：亚酸盐检测剂的试剂2不要提前配制，仅在第一次使用前进行配制，所有试剂均需要在阴凉避光处保存。

3、培养系统搭建

①用量具量取400ml.提前配剖好的鱼粪稀释液，缓慢且平稳地注入每个培养杯中，按表1设置实验组，需要添加硝化细菌的组别用滴管滴入3滴硝化细菌液并搅拌，需要额外增加氧气的组别则利用氧气泵增加氧气，需要添加细菌（为硝化细菌提供附着生长的场所)的组别则放置20个清洗干净的细菌。为便于区分各实验组，建议使用记号笔在对应的瓶身清标注组别编号、日期及关键参数等信息，确保标记内容完整、准确且易干识别。

四、结果与分析

（1）硝化细菌+氧气+细菌屋组氨氮含量减少最多,

亚硝酸盐含量增加最多

（2）硝化细菌组与硝化细菌+氧气组氨氮含量减少最少,

对照组与硝化细菌组亚硝

酸盐含量增加最少

（3）氨氨减少量由多到少:

硝化细菌+氧气+细菌屋>硝化细菌+细菌屋>硝化细菌+氧气=硝化细菌

（4）亚硝酸盐增加量由多到少:

硝化细菌+氧气+细菌屋>硝化细菌+氧气>硝化细菌+细菌屋>硝化细菌=对照